小蜜蜂

小行星那么多, 科学家如何决定该研究哪颗?



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接下来,仔细掰扯掰扯投入产出

先说产出。产出就是价值。在小行星探测方面,世界各国的价值取向是相通或者根本就是相同的。今年端午节,在武汉举行了一场名为“国际月球与行星科学会议”的学术会议。来参加会议的大多数外国学者都是日本人或者韩国人,所以我就借端午节这个话题,以我们伟大的爱国主义诗人屈原的代表作《天问》来引出了小行星探测的价值。

《天问》一开头,有大量的关于宇宙起源和天体运行规律的问题。我把这样的问题,归结为求知欲,归结为好奇心驱动,归结为对根本问题和基础科学的探索。此外,还有关于如何对土地资源划分质量等级、如何合理利用土地的问题,这自然是为了吃饱肚子,是为了永续发展。还有关于如何避免洪涝灾害的问题,我略微扩大,把这个引申为防范更为一般的自然灾害乃至安全需求。

所以,总结一下,重要的价值有三种:科学价值、发展价值和安全价值。

探测小行星的三大价值也在于此:行星科学、行星资源开发与利用、行星防御。

小行星探测的产出,自然而然的也就是围绕这三大价值来论证、预期。

首先说科学价值。小行星根据光谱,可分为C类、S类、M类等等,光谱特征主要是表面成分特征的反映。S类被认为含硅多,M类被认为含金属多,等等。其中C类小行星含碳多,其成分或许与形成太阳与太阳系的星云相似,因而有助于研究太阳系的起源和演化,是不折不扣的“化石”,因此成为探测热点。日本的隼鸟1号探测器选择了S类小行星作为采样返回目标,今年刚刚发射升空的美国“恐龙”(所以小行星探测目前也是“龙”与“鸟”之争吗?)OSIRIS-Rex则选择了C类小行星Bennu作为目标。

然后说发展价值。去小行星开矿,已经不仅仅是脑洞而已了。美国有两家民营企业已经一本正经的开始制定去小行星上进行资源开发的方案,打算做这个买卖了。小行星上到底有哪些可以利用的资源?费老大的劲、花那么多钱,去小行星开矿值不值?目前我所知道的有两种考虑。一,是类似“以战养战”的策略,靠近地小行星(或者彗星)的资源,来步步为营的实现载人登陆火星的目标。直接从地球发射载人航天器登火,并从火星直接返回,成本太大,而且风险太高,中间万一某个环节出了问题,比如赶不上窗口,都功亏一篑。而借助小行星,则相当于洲际航海活动中的登岛补给。小行星的固态水或矿物都是重要物资,至少可以作为有工质推进的工质,来减轻从地球发射的发射重量。二、是采集贵重资源。月球上的氦3或许难以开采,但如果有某颗小行星通体都是白金,那么或许是值得去开采的。如果只算发射费用,目前近地轨道每公斤的发射费用是1万元人民币这个量级,返回的能量和发射的能量接近,那么粗粗可以加一倍,这样成本还是比1公斤白金的价格便宜的多……当然,还要假设有成熟、廉价的抓捕技术,并且探测器可以重复使用。

图三、美国深空工业公司想象的原位处理小行星的概念图(图片来自其公司主页)

最后说防御价值。目前已经发现的近地天体有1万5千左右。其中八百多颗直径超过1公里。倘若这些近地天体撞击地球,则可以造成从全球生物大灭绝、到大灾难、到主要城市毁灭、到吃瓜群众开烟花等等不同结果。小行星的防御之难,难在两点:大部分小行星是未知的;即使已知了,或许知道的不够早,也没办法应对,因为小行星的速度实在是太快了,普遍在每秒10公里以上到20公里的运动速度,比导弹还快。

图五、根据太阳系形成理论预测的近地天体尺寸分布(Stuart & Binzel 2004)

从图四、图五可知,目前已经发现的近地天体是大的多、小的少,而根据预期,应该是小的多、大的少。这很容易理解,大的容易发现,所以基本上看全了;小的不容易发现,因此只看到冰山一角。别小看冰山一角,泰坦尼克这条大船也是说翻就翻。

几十米大小的小行星或者陨石就可以穿透大气层直达地面(足够大、烧不完),哪怕是十几米大小的陨石,例如前些年俄国车里雅宾斯克的那次火流星时间,陨石只有17米大,在空中爆炸,也还是造成了群众受伤和建筑物受损。目前,防御的段有很多种猜想,比如炸碎(然而如果炸成若干轨道未知但仍然能到达地面的天女散花肿么办?)、干扰轨道、激光烧蚀等等。但如果实现不知道对方的轨道、成分、大小,都无从谈起。所以,从防御的角度来说,需要“知己知彼”。因此,近地天体的探也很有价值。

然后来谈投入。投入即成本。应该尽可能选择投入低(也就是成本低)的目标。

尽可能选择容易实现的目标。首先,小行星按其分布区域可以分为近地小行星、主带小行星、特洛伊群小行星和柯伊伯带小行星等。距离地球越远,地球发射所需要的能量就越大,飞行时间就越长,测控难度和数据传输难度也越大,不确定因素也越多。近地小行星距离地球最近,因此一般来说最容易探测。

其次,针对任何目标的探测,在探测之前,都要尽可能掌握目标的大小、组成、轨道、自传周期等等特性。这直接影响探测器的设计,因此,尺寸大、亮度高的小行星更容易成为探测目标的候选。事先掌握的资料越多,风险就越小、越可控。

此外,嫦娥2号(一次任务,一个探测器,先后探测了月球和小行星Toutatis,探嫦娥2号探测器现在已然成为一颗人造行星,绕着太阳转)尝试了多个目标的探测模式,这在未来的探测活动中也是值得考虑的,因为这也符合优化投入产出比的逻辑。

最后总结一下,小行星的探测目标选取,应该考虑科学价值、发展价值、防御价值,从科研经费拿钱的探测活动侧重科学价值,从股民手里拿钱的探测活动侧重发展价值,从国防相关途径获得资助的探测活动侧重防御价值。优先考虑价值,兼顾成本。因为成本是发展变化的。成熟的技术可以压缩成本,而探测活动本身就带来新技术、增加已有技术的成熟度。比如无工质推进技术、高度自主的智能化航天器控制技术、远距离的激光通讯技术等等,这些技术都有可能使得当下难以承受的成本在未来变成白菜价,从而深刻的改变人类进行深空探测活动的形态。

(声明:本答案是集体贡献,先后与同事、专家讨论后作答,并夹带了本ID大量私货,不允许)

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